吕 敏
(辽宁省丹东水文局,辽宁丹东118000)
基于二维非稳态模型的地下水资源预测研究
吕 敏
(辽宁省丹东水文局,辽宁丹东118000)
摘要:本文根据国内外地下水资源预测的研究进展,结合灌区的地质条件,运用二维非稳态模型对灌区地下水资源分布情况进行了预测,经与实测值对比,表明二维非稳态模型的计算精度较高,可以准确地反映出地下水资源分布情况,研究结果可为地下水资源预测提供参考。
关键词:地下水;预测;非稳态模型;灌区
地下水掠夺式开采导致了一系列环境问题,因此地下水保护迫在眉睫。地下水系统一般包括含水系统和地下径流。由于地下水是不可见的,且受地质条件影响远大于地表水,因此地下水资源预测比地表水预测难得多。
从国内外的研究情况看,地下水测量主要经历了原始测量、传统测量、数字测量三个阶段[3-4]。目前,一般使用GPS定位和探测仪相结合的方法对地下水进行测量。随着数值模拟和水动力学的发展,计算流体力学逐渐成为学者们的研究热点。
本文采用的二维非稳态地下水资源预测模型由连续性方程、运动方程、控制方程组成[5]。
研究区域地下水主要为潜水和承压水,潜水埋藏深度一般是2~10m,承压水埋藏深度大多在90m以下。由于承压水埋藏深度远大于潜水,其开采成本往往是潜水的数倍乃至数十倍,因此目前人类大量开采的灌溉水多为潜水,本文的地下水资源预测的主要对象也为潜水。
在研究区域设置了38个地下水资源测量点,每隔15天进行一次水位测量。根据现有资料及1996年、2007年、2014年的地下水资源埋藏深度数据,将现有数据进行最小二乘法拟合,并进行数理统计,发现这些测量数据均服从正态分布,1996年的测试点中大部分在拟合曲线误差范围内,仅有个别测量点偏离幅度较大,对于这些点,应当剔除。3组的测量数据中误差最小的是2014年,运用F1uent软件对2014年的研究区域的水位进行计算,得出了水位分布云图,见图1。
图1 研究区域水位分布云图
从图1可以看出,蓝色区域只分布在研究区的周边,而研究区的中央水位呈现浅绿色,说明研究区域中央水位很低,四周水位较高,形成了显著的地下水漏斗。对比三组数据的漏斗面积,发现漏斗有生长的趋势,如不采取合理措施,将导致严重后果。
2.1 数学模型
地下水资源预测研究建立在二维非稳态数学模型基础上,通过F1uent软件对地下水资源分布情况进行计算,得出地下水资源的动态变化。二维非稳态数学模型是描述整个研究区域水资源分布的计算式集合,本文建立的水文地质数学模型为[6-7]:式中:K—渗透系数,无量纲;h—含水层厚度,m;n—外法线方向,无量纲;q—出含水层流量,kg/s;S—储水系数,无量纲。
二维非稳态数学模型在研究过程对一些影响不大的因素进行了简化,降低计算难度,缩短了计算时间。对于含水层,该模型认为潜水的埋藏深度随时间动态变化,潜水流动方向与地表地形一致,将潜水层当作各项异性的二维非稳态流动。
2.2 地下水预测结果
利用Visua1MODFLOW软件对研究区域地下水资源分布情况进行求解。首先根据GPS信息,绘制研究区域的数据地图,并依据此建立有限元分析模型,随后采用Gambit软件对地图进行网格划分,本研究区域共划分为3200个计算网格。影响地下水资源分布的因素主要有含水层结构和水文地质参数,这些采用经验系数。根据历史数据采用时间列序分析法进行水资源预测,得到了2016年和2024年的地下水等水位线图,见图2和图3。
图2 2016年的地下水等水位线图
图3 2024年的地下水等水位线图
从图2和图3看,2024年研究区域地下水流场的变化趋势与2016年类似,呈西北向东南流动。水位最高处位于研究区域上游,地下水流动方向与地表地形趋势基本相同。由于研究区域上游地下水补给量大,因此地下水位相对较高,而下游地下水位较低,并且有进一步降低的趋势。
从2014~2024年间,整个研究区域共出现了3个显著的地下水漏斗,且漏斗面积逐年增加,最大漏斗中心点水位竟低于外围点6m。
对于出现此种状况的原因,主要有以下几点。
(1)研究区域的植物结构出现了明显变化;
(2)灌区管理制度变化,由于地下水开采较为方便,符合实时灌溉的需求,因此地下水开采量剧增;
(3)近年来,研究区域降水量减少,加之上游水库蓄水,导致下游来流较少,地下水补给量减少;
(4)干渠水量减少,地下水渠系渗漏补给和田间灌溉补给降低。
由于地下水是不可见的,且受地质条件影响远大于地表水,因此地下水资源预测比地表水预测难得多。从国内外的研究情况看,一般使用GPS定位和探测仪相结合的方法对地下水进行测量。随着数值模拟和水动力学的发展,计算流体力学逐渐成为学者们的研究热点。根据国内外地下水资源预测的研究进展,结合灌区的地质条件,对灌区地下水资源分布情况进行了预测。并得出以下结论。
(1)二维非稳态模型的计算精度较高,可以准确的反映出地下水资源分布情况;
(2)研究区域上游地下水补给量大,因此地下水位相对较高,而下游地下水位较低,并且有进一步降低的趋势;
(3)给出了地下水分布不均的原因,希望可以为今后地下水资源预测提供指导。
参考文献
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作者简介:吕 敏(1963年—),女,工程师。
收稿日期:2015-06-05
DOI:10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.010
中图分类号:P641
文献标识码:A
文章编号:1672-2469(2016)02-0027-03